DE3913965A1

DE3913965A1 - Direkt abbildendes sekundaerionen-massenspektrometer mit laufzeit-massenspektrometrischer betriebsart

Info

Publication number: DE3913965A1
Application number: DE3913965A
Authority: DE
Inventors: Akinori Mogami; Motohiro Naito
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1988-04-28
Filing date: 1989-04-27
Publication date: 1989-11-09
Also published as: GB8909072D0; US4945236A; GB2217907A; JPH01276561A; JP2523781B2; GB2217907B

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Durchführung der Sekundärionen- Massenspektrometrie (SIMS) und insbesondere ein direkt abbildendes Gerät, mit dem eine Analyse einer Probe mittels der Laufzeit-Massenspektrometrie (time-of-flight (TOF) mass spectrometry) durchführbar ist.

Die Sekundärionen-Massenspektrometrie umfaßt das Beschießen einer Probe mit einem Bündel primärer ionisierter Teilchen und das Analysieren der von der Probenfläche ausgehenden Sekundärionen. Die Sekundärionen werden dann in einen Massenanalysator eingeführt, in dem sie bezüglich ihrer Massen analysiert werden. Hieraus läßt sich die Zusammensetzung eines mikroskopischen Bereiches der Oberfläche der festen Probe bestimmen. Geräte zur Durchführung der SIMS werden grob in zwei Arten unterteilt: abtastende Geräte, die zur Erzielung eines Ionenbildes einen zu untersuchenden Bereich mit einem scharf fokussierten Primärstrahlenbündel abtasten, und direkt abbildende Geräte, die den gesamten analysierten Bereich mit einem Primärstrahlenbündel relativ großen Durchmessers beschießen und gemäß dem Prinzip eines Ionenmikroskops ein Ionenbild erzeugen.

In der Fig. 1 ist die Ionenoptik eines Beispiels eines direkt abbildenden SIMS-Gerätes dargestellt. Ein mit einer Ionenquelle IS erzeugtes primäres Ionenstrahlenbündel I₁ ist von relativ großem Durchmesser. Dieses Strahlenbündel I₁ trifft auf den gesamten analysierten Bereich einer Probe S auf. Die von diesem Bereich abgegebenen Sekundärionen I₂ werden über eine Übertragungsoptik TO einem Massenanalysator MS zugeführt. Im Massenanalysator MS werden nur die Sekundärionen I₂ bestimmter Masse ausgewählt und dann über eine Projektorlinse L auf einen zweidimensionalen Detektor, z. B. einen Leuchtschirm FS projiziert. Auf diese Weise wird mit den Ionenteilchen der bestimmten Masse ein Ionenbild erhalten.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Ionenoptik werden elektrostatische Linsen L₁₁ und L₁₂ zur Bildung des primären Ionenstrahlenbündels I₁ verwendet. Die Übertragungsoptik TO besteht aus elektrostatischen Linsen L₂₁, L₂₂ und L₂₃. Am Einlaß des Massenanalysators MS ist ein Schlitz SL₁ angeordnet. Die Ionenoptik umfaßt zusätzlich eine Zwischenlinse L _Ω, einen Energieschlitz SL₂ und einen Massenauswahlschlitz SL₃.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Gerät weisen die von der Probenoberfläche abgegebenen Sekundärionen eine größere Energieverteilung auf und deshalb besteht der Massenanalysator MS aus einem doppelfokussierenden Massenanalysator, in dem ein kugelförmiges elektrisches Feld EF und ein gleichförmiges Sektormagnetfeld MF in Tandemanordnung vorgesehen sind. Das in der Fig. 1 dargestellte direkt abbildende SIMS-Gerät wurde beschrieben von George Slodzian in seinem Buch "Applied Charged Particle Optics", 1980, im Kapitel III. "Direct Imaging Instruments", Seiten 17-19 eines Abschnitts mit dem Titel "Microanalyzers Using Secondary Ion Emission".

Aufgrund der Kombination in Reihenanordnung des elektrischen Feldes, der Linse L _Ω und des Magnetfeldes ist eine platzbeanspruchende Bauweise dieses bekannten Gerätes unvermeidlich. Das Gerät kann nur bezüglich der Masse gefilterte Ionenbilder erzeugen, bei denen der Kontrast durch die Gegenwart oder Abwesenheit von Ionen einer spezifizierten Masse bestimmt wird.

In der US-Patentanmeldung Nr. 2 22 484 hat die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung bereits ein neues SIMS-Gerät vorgeschlagen. Dieses Gerät verwendet einen Massenanalysator, der einen Bereich aufweist, in dem ein Magnetfeld und ein senkrecht zum Magnetfeld verlaufendes elektrisches Feld einander überlagert sind. Dieses Gerät soll nachstehend kurz beschrieben werden.

In der Fig. 2 ist die Ionenoptik des vorgeschlagenen Gerätes dargestellt. Die Ionenoptik umfaßt eine Ionenquelle IS, eine Übertragungsoptik TO und einen Eintrittsspalt SL₁. Eine Probe S, die Ionenquelle IS, die Optik OT und der Spalt SL₁ sind in der gleichen Weise wie bei der in der Fig. 1 dargestellten üblichen Ionenoptik angeordnet. Die Ionenoptik umfaßt zusätzlich einander überlagerte Felder 1, die aus einem toroidförmigen elektrischen Feld 3 und einem gleichförmigen Magnetfeld 2, das im wesentlichen senkrecht zum elektrischen Feld 3 verläuft, bestehen. In dem elektrischen Feld 3 befindet sich die mittlere Bahn O des Ionenstrahlenbündels I₁ auf einer Äquipotentialfläche. Dargestellt sind auch eine Projektorlinse L _p, ein Massenauswahlspalt SL _ms und ein Leuchtschirm FS.

In der in der Fig. 2 dargestellten optischen Anordnung wird ein Ionenbild F′ des beschossenen Probenbereiches von der Übertragungsoptik TO gebildet. Dieses Bild F′ wird von den überlagerten Feldern 1 in ein Bild F′′ umgewandelt und dann als ein Bild F′′′ auf den Schirm FS projiziert. Die Projektorlinse L _p wird zur Erhöhung der Vergrößerung des Bildes F′′ verwendet. Auf diese Linse L _p kann gegebenenfalls auch verzichtet werden.

Die Kreuzungsstelle C′ der Strahlen des Bildes des beschossenen Probenbereiches wird von der Übertragungsoptik TO an der Stelle des Eintrittsspaltes SL₁ gebildet. Die überlagerten Felder bilden eine Kreuzungsstelle C′′ an der Stelle des Massenauswahlspaltes SL _ms. In diesem Zustand findet nur eine Massendispersion am Auswahlspalt SL _ms statt. Nur die Ionen einer ausgewählten Masse, die durch den Spalt SL _ms hindurchlaufen, bilden ein Ionenbild des analysierten Bereiches auf dem Leuchtschirm FS. Die Massenzahl der durch den Spalt SL _ms hindurchlaufenden Ionen wird durch Variieren der Intensität des Magnetfeldes 2 der überlagerten Felder 1 geändert. Auf diese Weise läßt sich ein Bild aus Ionen einer spezifizierten Massenzahl, d. h. ein massengefiltertes Ionenbild erzielen.

Damit die in der Fig. 2 dargestellte optische Anordnung die Massentrennung vergrößert und die Verzerrung des Ionenbildes auf ein Minimum reduziert, ist es erforderlich, eine Verzerrungsfreiheit und die Doppelfokussierbedingung gleichzeitig an der Kreuzungsstelle und am Ionenbild zu erzielen. Darüber hinaus muß eine sogenannte stigmatische Fokussierbedingung für das Ionenbild erfüllt werden.

Die Bewegung von Ionen, die durch die überlagerten, aus einem elektrischen Feld 3 und einem im wesentlichen senkrecht zum elektrischen Feld 3 verlaufenden homogenen Magnetfeld 2 bestehenden Felder 1 hindurchlaufen, wird nachstehend unter Verwendung eines Zylinder-Koordinatensystems (r, Φ, z) beschrieben, wie in der Fig. 3 dargestellt. Im elektrischen Feld 3 befindet sich die mittlere Bahn O des Ionenstrahlenbündels I₁ auf einer Äquipotentialfläche, wie bereits angegeben worden ist.

In der Fig. 3 sind schematisch Mittel zum Erzeugen der überlagerten Felder 2 und 3 dargestellt. Ein homogenes Magnetfeld wird zwischen zwei magnetischen Polschuhen 4 und 4′ entlang der z-Achse verlaufend erzeugt. Basisplatten 5 und 5′ zum Erzeugen eines elektrischen Feldes sind auf den Oberflächen der Polschuhe 4 bzw. 4′ aufgesetzt. Die Struktur der Basisplatten 5 und 5′ wird weiter unten näher erläutert. Auf den Oberflächen jeder Basisplatte 5 und 5′ sind mehrere Filamentelektroden koaxial angeordnet. An diese Elektroden werden ausreichende Potentiale zum Erzeugen eines im wesentlichen senkrecht zum Magnetfeld zwischen den magnetischen Polschuhen 4 und 4′ verlaufenden elektrischen Feldes angelegt.

Es sei nun angenommen, daß das elektrische Feld an der mittleren Bahn O (d. h., z = 0 und γ = α ) eine konstante Stärke aufweist und dem Krümmungsmittelpunkt der mittleren Bahn O zugekehrt ist. Zur Behandlung von elektromagnetischen Feldern in der Nähe der Ebene z = 0 und des Radius γ = α werden nun die Beziehungen

γ = α (1 + ρ ) (1)

z = α ξ (2)

eingeführt, in denen ρ und ξ variable Größen kleiner als Eins sind.

Aufgrund von Näherungen erster Ordnung werden Ionenbahngleichungen zum Bestimmen der Bahn von Ionen in den überlagerten Feldern dargestellt durch

entlang der γ-Richtung und

entlang der z-Richtung. Die Koeffizienen K _r² und K _z² werden entsprechend den Eigenschaften der elektrischen und magnetischen Felder bestimmt. Bei einem gleichförmigen magnetischen Feld werden diese Koeffizienten dargestellt durch

Die Masse m und die Geschwindigkeit v eines Ions, das von Interesse ist, werden dargestellt durch

m = m₀ (1 + γ ) (7)

v = v₀ (1 + β) (8)

in denen γ die relative Änderungsgeschwindigkeit der Masse, β die relative Änderungsgeschwindigkeit der Geschwindigkeit des Ions, m₀ die Masse der Ionen (nachstehend als Ionen der mittleren Bahn bezeichnet), die durch die mittlere Bahn hindurchlaufen, und v₀ die Geschwindigkeit der Ionen der mittleren Bahn ist. Dargestellt durch α _m ist der Radius der Ionen der mittleren Bahn, wenn nur das Magnetfeld besteht. Dargestellt durch α _e ist der Radius der Ionen der mittleren Bahn, wenn nur das elektrische Feld besteht. Die Beziehungen dieser Radien zum Radius α werden dargestellt durch

Die in den vorstehenden Gleichungen (5) und (6) vorkommende Größe l ist der Taylorsche Entwicklungskoeffizient erster Ordnung, wenn das elektrische Feld einer Taylorschen Entwicklung um die mittlere Bahn unterzogen wird, der dargestellt wird durch

l = - (1 + c) (10)

worin c das Verhältnis von Krümmungsradius α der mittleren Bahn zum Krümmungsradius R der Äquipotentiallinie ist, die die mittlere Bahn schneidet und in einer Ebene mit der z-Achse liegt (siehe Fig. 3). Somit ergibt sich

c = α/R _e (11)

worin c eine Konstante ist, die eine Eigenschaft des elektrischen Feldes darstellt. Z. B., wenn c = 0 (R _e = ∞), dann ist das elektrische Feld zylinderförmig. Wenn c = 1 (R _e = α), dann ist das elektrische Feld kugelförmig. Wenn c ≠ 0 und c ≠ 1, dann ist das elektrische Feld toroidförmig.

Die Dispersion D an der Stelle des Bildes in der γ-Richtung wird dargestellt durch

Nachstehend wird die Dispersion D erörtert. Wenn α/α _m = 2, was nachstehend als die Bedingung (A) bezeichnet wird, geht die Gleichung (17) über in die Form

δ = γ/K _r²

Dies bedeutet, daß nur eine Massendispersion stattfindet. Für die gleiche Masse wird eine Dispersion weder von den Ionengeschwindigkeiten, noch von den Energien verursacht. Folglich gilt die Doppelfokussier-Bedingung bei allen konjugierten Gegenständen und Abbildungen. Wenn α/a _m = 0, was nachstehend als die Bedingung (B) bezeichnet wird, d. h., wenn die Intensität des Magnetfeldes 0 ist und α _m = ∞, dann geht die Gleichung (17) über in

δ = ( γ + 2β )/K _r²

Zu diesem Zeitpunkt sind die Ionen der Kraft des elektrischen Feldes ausgesetzt. Alle Ionen werden nur gemäß ihren kinetischen Energien dispergiert. Aus den Gleichungen (5), (6) und (9) ergibt sich die Beziehung

K _r² + K _z² = 1 + ( α/α _e)² (18)

Aus der Gleichung (9) ist ersichtlich, daß die von der Bedingung (A) erfaßte Beziehung α/α _m = 2 dazu führt, daß

α/α _e = -1 (19)

und daß die in der Bedingung (B) enthaltene Beziehung α/α _m=0 dazu führt, daß

α/α _e = +1 (20)

Somit kann unter den beiden Bedingungen (A) und (B) die Gleichung (18) in die Form

K _r² + K _z² = 2 (21)

umgewandelt werden. D. h., daß unter beiden Bedingungen (A) und (B) die stigmatische Fokussierbedingung erfüllt ist, wenn die Beziehung K _r²=K _z²=1 erfüllt sind.

Die Bedingung (A) umfaßt die Gleichungen α/α _m = 2 und α/α _e=-1. Diese beiden Gleichungen werden in die Gleichungen (5) bzw. (6) eingesetzt, um die Beziehungen

K _r² = l + 1 und K _z² = 1 -l

zu ergeben. Hieraus ergibt sich, daß bei l = 0 die Beziehungen K _r²=K _z²=1 gelten. Um die Beziehung l=0 zu berücksichtigen, wird die Gleichung c= -1 aus der Gleichung (10) abgeleitet. Entsprechend der Gleichung (11) muß die Beziehung R _e=-α erfüllt werden. Wie der Fig. 3 entnehmbar ist, bedeutet dies, daß der Krümmungsradius α in Richtung entgegengesetzt zur Richtung der in der Fig. 2 dargestellten Krümmung vorgesehen ist.

Die beiden von der Bedingung (B) umfaßten Gleichungen α/α _m=0 und α/α _e = 1 werden in die Gleichungen (5) bzw. (6) eingesetzt. Hieraus ergeben sich die Beziehungen K _r² = 3+l und K _z²= -(1+l). Ersichtlich ist, daß bei l= -2 die Beziehungen K _r²=K _z²=1 erfüllt sind. Zur Erfüllung der Beziehung l= -2 wird die Beziehung c = 1 aus der Gleichung (10) abgeleitet. Aus der Gleichung (11) ergibt sich die Beziehung R _e=α. Dies bedeutet, daß der in der Fig. 2 dargestellte Krümmungsradius R _e gleichgesetzt wird mit α.

Zusammenfassend wird gemäß der Bedingung (A) die Intensität des Magnetfeldes und die Intensität des elektrischen Feldes in der Weise eingestellt, daß die Beziehungen α/α _m = 2 und α/α _e= -1 gelten. Zusätzlich wird eine Verteilung des elektrischen Feldes hergestellt, wie dies in der Fig. 4 gezeigt ist, so daß die Beziehung l=0 erfüllt ist.

Unter dieser Bedingung ist das auf den Leuchtschirm FS projizierte Ionenbild minimal verzerrt. D. h., daß bezüglich des Ionenbildes Freiheit von Energieaberration und stigmatischer Fokussierung gleichzeitig erzielt werden. Die Vergrößerung dieses Ionenbildes kann durch Variieren der Bedingungen der Übertragungsoptik TO und Variieren der Größe der an der Stelle des Eintrittsspaltes SL₁ gebildeten Kreuzungsstelle auf jeden beliebigen Wert eingestellt werden, ohne Änderung der Bedingungen der überlagerten Felder. Es ist auch möglich, massenfiltrierte Ionenbilder mit verschiedenen Ionen zu erhalten, weil durch Ändern der Intensität des Magnetfeldes der überlagerten Felder Ionen verschiedener Massen durch den Massenauswahlspalt SL _ms durchgelassen werden können. Ferner läßt sich ein Massenspektrum des mit dem primären Ionenstrahlbündel bestrahlten Probenbereiches durch Durchlaufen der Intensitätswerte des Magnetfeldes der überlagerten Felder und Erfassen des gesamten, auf den Schirm FS auftreffenden Ionenstromes erhalten.

Gemäß der Bedingung (B) wird die Intensität des Magnetfeldes gleich Null gesetzt, so daß die Beziehung α/α _m = 0 zutrifft. Das elektrische Feld wird in Richtung entgegengesetzt zur Richtung des im Falle (A) erzeugten Feldes erzeugt, so daß die Beziehung α/α _e = 1 zutrifft, wobei die Intensität des elektrischen Feldes die gleiche wie im Falle (A) ist. Die Verteilung des elektrischen Feldes wird zur Erfüllung der Beziehung l = -2 bestimmt. Somit wird durch Fokussieren an der Kreuzungsstelle eine Abbildung in der Weise erzeugt, daß an der Stelle des Massenauswahlspaltes SL _ms eine Energiedispersion entsteht. Ionen, die sich innerhalb der ausgewählten Bandbreite befinden, laufen durch diesen Spalt SL _ms hindurch und erzeugen ein energiegefiltertes Ionenbild auf dem Leuchtschirm FS. Dies bedeutet, daß Ionen verschiedener Massen zur Bildung des energiegefilterten Ionenbildes beitragen. Es läßt sich somit aussagen, daß das energiegefilterte Ionenbild mehr allgemeine Information enthält, als die vom massengefilterten Ionenbild vermittelte Information.

Aufgrund der Verwendung überlagerter Felder ist das vorgeschlagene SIMS-Gerät klein. Es hat den zusätzlichen Vorteil, daß es energiegefilterte sowie massengefilterte Ionenbilder ergibt.

Es ist bekannt, daß eine Bestrahlung mit einem primären Ionenstrahlenbündel spezielle Substanzen wie Gold kaum ionisieren kann, weil bei verschiedenen Elementen oder Substanzen die Ionisierungsausbeute sehr verschieden ist. Bei der sogenannten Laserimpulsionisierung wird eine Probe mit einem pulsierenden Laserstrahlenbündel hoher Intensität ionisiert. Es ist bekannt, daß hierbei fast alle Substanzen einschließlich Gold mit im wesentlichen gleicher Wirksamkeit ionisiert werden können.

Die Ausbeute an Sekundärionen (Anzahl abgegebener Sekundärionen/ Anzahl zerstäubter Neutralteilchen) einiger Probenarten ist extrem gering und es lassen sich nur geringe Mengen an Sekundärionen durch Bestrahlen mit einem primären Ionenstrahlenbündel erhalten. Dieses Verfahren ist als Sekundärneutralteilchen- Massenspektrometrie (SNMS) bekannt. In diesem Fall werden auch pulsierende Ionen erzeugt.

Zum Analysieren einer Probe, die die speziellen Substanzen enthält, ist somit die Anwendung des vorstehend erwähnten Verfahrens zur pulsierenden Ionisierung erforderlich. Bei dem vom Anmelder vorgeschlagenen SIMS-Gerät muß jedoch zum Analysieren von Ionen verschiedener Massen die Stärke des Magnetfeldes geändert werden. Folglich ist es schwierig, bei dem vorgeschlagenen Gerät ein Verfahren mit pulsierender Ionisation durchzuführen, weil die erzeugten Ionen pulsieren.

Es ist bekannt, daß die Laufzeit-Massenspektrometrie in den Fällen geeignet ist, in denen die erzeugten Ionen pulsieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein direkt abbildendes SIMS-Gerät vorzusehen, das einander überlagerte Felder verwendet und zur Durchführung von Analysen mittels der Laufzeit-Massenspektrometrie geeignet ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Patentanspruch 1.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen direkt abbildenden SIMS-Gerät läßt sich die Betriebsart innerhalb kurzer Zeit zwischen einem laufzeit-massenspektrometrischen Betrieb und einem direkt abbildenden Betrieb umschalten.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind ein Magnetfeld und ein senkrecht zum Magnetfeld verlaufendes elektrisches Feld in einem Bereich überlagert, um einen Massenanalysator mit überlagerten Feldern zu bilden. Die Betriebsweise des Massenanalysators läßt sich zwischen einem direkt abbildenden Betrieb und einem laufzeit-massenspektrometrischen Betrieb umschalten. Bei dem direkt abbildenden Betrieb wird eine Abbildung des von einem primären Strahlenbündel bestrahlten Bereiches der Probe auf einen zweidimensionalen Detektor fokussiert. Bei dem laufzeit-massenspektrometrischen Betrieb wird die Stärke des Magnetfeldes der überlagerten Felder auf Null reduziert, so daß nur das elektrische Feld verwendet wird.

Andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.

Anhand der Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Darstellung der Ionenoptik eines üblichen, direkt abbildenden SIMS-Gerätes;

Fig. 2 eine Darstellung der Ionenoptik eines direkt abbildenden SIMS-Gerätes, das in der US-Patentanmeldung Nr. 2 22 484 vorgeschlagen worden ist und überlagerte Felder verwendet;

Fig. 3 eine schematische Darstellung von Mitteln zum Erzeugen überlagerter Felder;

Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung der Verteilung eines toroidalen elektrischen Feldes mit l = 0;

Fig. 5 eine Darstellung der Ionenoptik eines erfindungsgemäßen Gerätes;

Fig. 6 eine Darstellung von Mitteln zum Erzeugen überlagerter Felder;

Fig. 7 eine Draufsicht auf die in den Fig. 4 und 6 gezeigten Basisplatten 5 und 5′;

Fig. 8 eine Darstellung ähnlich der der Fig. 5, in der jedoch das Massenspektrometer im laufzeit-massenspektrometrischen Betrieb befindlich ist; und

Fig. 9 eine Darstellung der Ionenoptik einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes.

In der Fig. 5 ist die Ionenoptik eines erfindungsgemäßen Gerätes dargestellt. Dieses Gerät ist dem in der Fig. 2 dargestellten SIMS-Gerät ähnlich, mit der Ausnahme, daß eine pulsierende Laserquelle IS für die Laufzeit-Massenspektrometrie und ein Ionendetektor D vorgesehen sind, und daß der Ablenkungswinkel Φ der Ionen in den überlagerten Feldern, die Stelle des Eintrittsspaltes SL₁ und die Stelle des Massenauswahlspaltes SL _ms anders sind. In spezifischer Weise ist der Winkel Φ auf 180° eingestellt. Der Eintrittsspalt SL₁ befindet sich am Einlaß zu den überlagerten Feldern. Der Auswahlspalt SL _ms ist am Auslaß der überlagerten Felder positioniert.

Der Aufbau von Mitteln zum Erzeugen überlagerter Felder, die aus einem elektrischen Feld, das entweder die Bedingung l = 0 oder die Bedingung l = -2 erfüllt, und einem gleichförmigen magnetischen Feld wird nachfolgend im einzelnen beschrieben. Die in der Fig. 6 dargestellten Basisplatten 5 und 5′ sind aus einem Isoliermaterial wie einer Keramik gefertigt und in Form eines Kreisbogens ausgebildet, der sich entlang der mittleren Bahn der Ionen erstreckt, wie dies in der Fig. 7 gezeigt ist. Auf den einander gegenüberliegenden Flächen der Basisplatten 5 und 5′ sind dünne Widerstandsüberzüge 6 bzw. 6′ durch Auftragen oder Aufdampfen eines entsprechenden Materials auf die Oberflächen ausgebildet worden. Mehrere Elektroden A₁ bis A _n mit einer Breite von beispielsweise 0,2 mm sind auf den kreisbogenförmigen Überzügen 6 und 6′ koaxial angeordnet. Die Elektroden A₁ bis A _n und B₁ bis B _n befinden sich in Abständen von beispielsweise 2,0 mm voneinander. Das Muster der Elektroden A₁ bis A _n und B₁ bis B _n läßt sich beispielsweise durch Auftragen oder Ablagern eines leitfähigen Materials unter Verwendung von Blenden herstellen. In alternativer Weise läßt sich das Muster mit Photolackverfahren oder Ätzverfahren in gleicher Weise wie bei üblichen gedruckten Schaltungen herstellen. Eine Spannungsversorgung 7 dient zum Anlegen einer bestimmten Spannung an jede Elektrode A₁ bis A _n und B₁ bis B _n der Basisplatten 5 und 5′ über eine Stromzuführung. Die Werte der an alle Elektroden A₁ bis A _n und B₁ bis B _n anzulegenden Spannungen sind in einem Speicher 8 gespeichert. Eine Abrufschaltung 9 ruft die Spannungswerte aus dem Speicher 8 ab und führt sie der Spannungsversorgung 7 als Information über die an die Elektroden A₁ bis A _n und B₁ bis B _n anzulegenden Spannungen zu.

Ein Joch 10 erstreckt sich zwischen den magnetischen Polschuhen 4 und 4′ und wird von einer Erregungsspule 11 erregt, die einen Erregerstrom aus einer Stromversorgung 12 für das Magnetfeld bezieht. Der Betrieb der Abrufschaltung 9, der Spannungsversorgung 7 für das elektrische Feld, der Stromversorgung 12 für das Magnetfeld und der Übertragungsoptik TO wird von einer Steuerschaltung 13 gesteuert.

Die Mittel zum Erzeugen der überlagerten Felder, die wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind, können ein toroidförmiges elektrisches Feld mit dem gewünschten Koeffizienten c zwischen den Elektroden A₁ bis A _n und B₁ bis B _n erzeugen, indem sie die an jede der Elektroden anzulegende Spannung gemäß einer vorbestimmten Formel bestimmen. Der Koeffizient l, der aus der Gleichung (10) bestimmt wird, wird unter Verwendung des Koeffizienten c auf jeden gewünschten Wert eingestellt.

Informationen über die Potentiale an den Elektroden, die ein voreingestelltes toroidförmiges elektrisches Feld mit l = 0 (c= -1) erzeugen, sind im Speicher 8 eingegeben. Andere Informationen bezüglich der Potentiale auf den Elektroden, die ein toroidförmiges elektrisches Feld mit l = -2 (c = 1) erzeugen, sind ebenfalls im Speicher 8 eingegeben.

Direkt abbildender Betrieb

Bei diesem Betrieb wird die Ionenquelle IS verwendet. Die Probe S wird kontinuierlich mit einem primären Ionenstrahlenbündel I₁ bestrahlt. Wie bereits vorstehend beschrieben worden ist, wird bei dieser Betriebsart entweder ein massengefiltertes Ionenbild oder ein energiegefiltertes Ionenbild für die Massenanalyse erzeugt.

Wenn das Gerät in der Weise aufgestellt worden ist, daß ein massengefiltertes Ionenbild gebildet wird, ruft die von der Steuerschaltung 13 gesteuerte Abrufschaltung 9 die Informationen bezüglich des toroidförmigen elektrischen Feldes mit l=0 (c= -1) aus dem Speicher 8 ab. Dann erzeugt die Steuerschaltung 13 ein toroidförmiges elektrisches Feld mit einer Verteilung, die der Beziehung l = 0 genügt. Gleichzeitig erfüllen die Stärke und die Richtung des Feldes die Beziehung α/α _e = -1. In zusätzlicher Weise erzeugt die Stromversorgung 12 für das Magnetfeld ein gleichförmiges magnetisches Feld, dessen Intensität die Beziehung α/α _m = 2 erfüllt. Da die Beziehung l = 0 erfüllt ist, gelten die Beziehungen K _r² = K _z² = 1. Folglich wird eine stigmatische Fokussierung erzielt. Da die Beziehungen α/α _e = -1 und α/α _m = 2 gelten, wird eine Energiekonvergenz erzielt.

Wie in der Fig. 5 dargestellt ist, steuert die Steuerschaltung 13 die Übertragungsoptik TO in der Weise, daß die erste Kreuzungsstelle C′ an der Stelle des Eintrittsspaltes SL₁ fokussiert wird, der sich am Einlaß der überlagerten Felder befindet. Die zweite Kreuzungsstelle C′′ wird von den überlagerten Feldern an der Stelle des Massenauswahlspaltes SL _ms fokussiert. Ionen, die die gleiche Masse aufweisen und durch diesen Spalt SL _ms hindurchtreten, bilden ein massengefiltertes Ionenbild auf dem Leuchtschirm FS.

Wenn das Gerät in der Weise eingestellt wird, daß ein energiegefiltertes Ionenbild erzeugt wird, weist die Steuerschaltung 13 die Abrufschaltung 9 an, Informationen über das toroidförmige elektrische Feld mit l = -2 (c = 1) aus dem Speicher 8 abzurufen. Aufgrund dieser abgerufenen Informationen wird ein toroidförmiges elektrisches Feld entwickelt, dessen Verteilung der Beziehung l = -2 entspricht. Die Intensität und die Richtung des Feldes sind derart, daß die Beziehung α/α _e = 1 erfüllt ist. Der Erregerstrom für das Magnetfeld aus der Stromversorgung 12 wird unterbrochen, um die Intensität des Magnetfeldes bis herunter auf Null zu reduzieren. Die Kreuzungsstellen der Ionenstrahlen werden in gleicher Weise eingestellt wie bei der Bildung des massengefilterten Ionenbildes. Ein an der Kreuzungsstelle gebildetes Bild, bei dem die Ionen entsprechend ihrer Energie getrennt sind, wird somit an der Stelle des Massenauswahlspaltes SL _ms gebildet. Die Ionen, die durch den Spalt SL _ms hindurchtreten und die gleiche Energie aufweisen, bilden ein energiegefiltertes Ionenbild auf dem Leuchtschirm FS.

Laufzeit-massenspektrometrischer Betrieb

Bei diesem Betrieb wird die pulsierende Laserquelle IS verwendet. Es wird, z. B., ein pulsierendes Laserstrahlenbündel auf die Probe S gerichtet. Anstelle des Leuchtschirmes FS wird der Ionendetektor D in den Ionenlaufweg hineingebracht. Bei diesem Betrieb sind die Betriebsbedingungen der elektrischen und magnetischen Felder die gleichen wie die zur Erzielung eines energiegefilterten Ionenbildes eingestellten Bedingungen. Insbesondere weist die Steuerschaltung 13 die Abrufschaltung 9 an, Informationen bezüglich des toroidförmigen elektrischen Feldes mit l = -2 (c = 1) aus dem Speicher 8 abzurufen. Entsprechend diesen Informationen wird ein toroidförmiges elektrisches Feld in der Weise entwickelt, daß seine Verteilung der Beziehung l = -2 entspricht, und daß seine Stärke und Richtung die Beziehung α/α _e = 1 berücksichtigen. Die Versorgung mit dem Erregerstrom aus der Stromversorgung 12 wird unterbrochen, um die Intensität des Magnetfeldes bis auf Null zu reduzieren. Da die Beziehung l= -2 gilt, sind die Beziehungen K _r²=K _z²=1 erfüllt. Somit wird eine stigmatische Fokussierung erzielt.

Die Steuerschaltung 13 steuert die Übertragungsoptik TO in der Weise, daß Ionen I₂, die von der Probe abgegeben werden, als paralleles Strahlenbündel in das toroidförmige elektrische Feld eintreten, wie dies in der Fig. 8 dargestellt ist. Danach verläßt das Strahlenbündel das elektrische Feld als paralleles Strahlenbündel. Zum Entfernen unerwünschter Ionen kann ein Spalt am Mittelpunkt der Konvergierstelle im Feld angeordnet werden. Die aus dem toroidförmigen elektrischen Feld in Form eines parallelen Strahlenbündels austretenden Ionen werden von einer Projektorlinse L _p, die von der Steuerschaltung 13 gesteuert wird, auf den Ionendetektor D fokussiert und es werden die Ionen erfaßt. Zum Durchlassen des parallelen Strahlenbündels werden der Eintrittsspalt SL₁ und der Massenauswahlspalt SL _ms aus dem optischen Strahlungsweg entfernt oder geöffnet. Ein mit einer derartigen Ionenoptik versehenes Laufzeit-Massenspektrometer wird als Poshenrieder Massenspektrometer bezeichnet (Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys., 9. (1972)).

Das Auftreten des pulsierenden Laserstrahlenbündels aus der pulsierenden Laserquelle erzeugt ein Bündel Sekundärionen aus der Oberfläche der Probe. Die erzeugten Sekundärionen werden innerhalb einer ziemlich kurzen Zeit entsprechend ihrer Massen während ihrer Laufzeit gemäß dem Prinzip der Laufzeit-Massenspektrometrie voneinander getrennt. Die Ionen kommen nacheinander am Ionendetektor D an und werden erfaßt. Die erhaltenen Daten, die ein Massenspektrum darstellen, werden in einem nicht gezeigten Speicher eingegeben.

In der Fig. 9 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gerätes dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist das toroidförmige elektrische Feld in elektrische Felder 31 und 32 geteilt, in denen der Ablenkungswinkel Φ auf 30° bzw. 150° eingestellt ist. Die Felder werden von ihren jeweiligen Spannungsversorgungen erregt, so daß ihre Koeffizienten c getrennt voneinander einstellbar sind. Da ein gleichförmiges Magnetfeld 2′, bei dem der Ablenkungswinkel Φ 150° beträgt, einfach auf das elektrische Feld 32 überlagert ist, werden überlagerte Felder 1′ mit Φ = 150° gebildet.

Direkt abbildender Betrieb

Bei diesem Betrieb ist das elektrische Feld 31 in der Weise gebildet, daß Beziehungen α/α _e=1 und c=1 (K _r²= K _z²=1) erfüllt sind. Das elektrische Feld 32 der überlagerten Felder 1′ wird in der Weise erzeugt, daß die Beziehungen α/α _e= -1 und c= -1 (K _r¹=K _z²=1) erfüllt sind. Das gleichmäßige Magnetfeld 2′ der überlagerten Felder 1′ wird in der Weise erzeugt, daß die Beziehung α/α _m=2 gilt. Ferner wird die Übertragungsoptik TO in der Weise eingestellt, daß eine Kreuzungsstelle C′ zwischen dem elektrischen Feld 31 und den überlagerten Feldern 1′ gebildet wird. Ein Energieauswahlspalt SL befindet sich an dieser Kreuzungsstelle C′. Dieser Spalt SL gestattet nur den Ionen, dessen Energien innerhalb eines gewünschten Bereiches liegen, das Eintreten in die überlagerten Felder 1′.

Infolge der Wirkung der vorstehend beschriebenen Ionenoptik wird ein massengefiltertes Ionenbild auf dem Leuchtschirm FS erzeugt. Es ist erforderlich, ein Zwischenionenbild in der Mitte des elektrischen Feldes 31 zu bilden, um ein achromatisches Ionenbild zu erhalten.

Laufzeit-massenspektrometrischer Betrieb

Bei diesem Betrieb werden die beiden elektrischen Felder 31 und 32 in der Weise erzeugt, daß die Beziehungen α/α _e = 1 und c=1 (K _r²=K _z²=1) gelten. Die Kopplung zwischen den beiden elektrischen Feldern führt im wesentlichen zu einem toroidförmigen elektrischen Feld, das die Bedingungen Φ = 180°, α/α _e = 1 und c = 1 erfüllt. Somit ist bei dieser Betriebsart die hier beschriebene Ausführungsform der in der Fig. 8 dargestellten Ausführungsform genau äquivalent.

Während die Erfindung insbesondere anhand der bevorzugten Ausführungsformen beschrieben und dargestellt worden ist, ist es dem Fachmann ersichtlich, das verschiedene Abänderungen und Modifikationen durchführbar sind. Z. B. ist der Wert des Winkels Φ nicht auf 180° begrenzt, sondern er kann auch auf andere geeignete Weise eingestellt werden.

Claims

1. Direkt abbildendes Sekundärionen-Massenspektrometer, mit

- einer Primärstrahlenquelle zum Erzeugen eines primären Strahlenbündels (I₁), das auf eine Probe (S) gerichtet wird,
- einem Massenanalysator, in den die Sekundärionen (I₂) einführbar sind, die ansprechend auf die Bestrahlung mit dem primären Strahlenbündel (I₁) von der Probe (S) ausgehen, und der einen Bereich aufweist, in dem ein Magnetfeld (2, 2′) und ein senkrecht zum Magnetfeld (2, 2′) verlaufendes elektrisches Feld (3; 31, 32) einander überlagert sind, und
- einem zweidimensionalen Ionendetektor (FS), der am Auslaß des Massenanalysators angeordnet ist,
- wobei der Massenanalysator in der Weise ausgelegt ist, daß die Betriebsart des Sekundärionen-Massenspektrometers zwischen einem direkt abbildenden Betrieb, bei dem eine Abbildung des vom primären Strahlenbündel (I₁) bestrahlten Probenbereiches auf den zweidimensionalen Detektor (FS) fokussiert wird, und einem laufzeit-massenspektrometrischen Betrieb umschaltbar ist, bei dem die Intensität des Magnetfeldes (2, 2′) der im Massenanalysator einander überlagerten Felder (1, 1′) bis auf Null reduzierbar ist, so daß nur das elektrische Feld (3; 31, 32) benutzt wird.

2. Sekundärionen-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel ( Φ ), um den die Sekundärionen (I₂) in den überlagerten Feldern (1, 1′) abgelenkt werden, auf 180° eingestellt ist.

3. Sekundärionen-Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine pulsierende Ionenquelle (IS _p) zum Erzeugen eines auf die Probe (S) gerichteten pulsierenden primären Strahlenbündels (I₁) während des laufzeit-massenspektrometrischen Betriebs und ein Ionendetektor (D) zum Erfassen der Sekundärionen (I₂), die ansprechend auf die pulsierende Bestrahlung mit dem primären Strahlenbündel (I₁) erzeugt und durch das elektrische Feld der überlagerten Felder (1, 1′) hindurchgeführt werden, vorgesehen sind.

4. Sekundärionen-Massenspektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein während des laufzeit-massenspektrometrischen Betriebs verwendeter Ionendetektor (D) in komplementärer Beziehung zu dem beim direkt abbildenden Betrieb verwendeten zweidimensionalen Ionendetektor (FS) in der Ionenbahn angeordnet ist.

5. Sekundärionen-Massenspektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die das primäre Strahlenbündel (I₁) erzeugende Strahlenquelle eine Laserquelle (IS _p) ist.